關(guān)于旋翼飛行器使用攝像頭視角的研究

1、國際計(jì)算機(jī)應(yīng)用雜志（0975-8887）2010年12月10號(hào)-卷11關(guān)于旋翼飛行器使用攝像頭視角的研究Debadatta Sahoo Amit Kumar 教授助理 K. Sujatha EEE系 EEE系 EEE系M.G.R.博士大學(xué) M.G.R.博士大學(xué) M.G.R.博士大學(xué)摘要 本文以介紹控制攝像機(jī)的光軸安裝攝像機(jī)機(jī)械手并固定在四旋翼遙控車為中心。一個(gè)四自由度的四旋翼無人機(jī)模型將用兩自由度相機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來創(chuàng)建一個(gè)單一的系統(tǒng)與提供了相機(jī)視圖的完整的六自由度驅(qū)動(dòng)相結(jié)合。這個(gè)調(diào)查工作提出利用所有的相機(jī)中的信號(hào)來描述框架。該閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)是基于李雅普諾夫型分析來使生產(chǎn)范圍內(nèi)的最終跟蹤結(jié)果顯（G

2、UUB）。由建議的控制器提供的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果證明。關(guān)鍵詞 使用MATLAB，直流無刷電機(jī)，遙控，手動(dòng)控制，可視攝像頭1、 引言使用四旋翼飛行器（或任何飛行器）的典型場(chǎng)景攝像頭作為視頻平臺(tái)是基于相機(jī)安裝在一個(gè)位置，從車輛獨(dú)立控制。當(dāng)導(dǎo)航或監(jiān)視任務(wù)變得復(fù)雜,可能需要兩個(gè)人來實(shí)現(xiàn)攝像頭瞄準(zhǔn)目標(biāo):一個(gè)試點(diǎn)無人機(jī)導(dǎo)航和攝影師。攝像機(jī)操作者，使這個(gè)方案是可行的一部分的重要的基本操作是，拍攝者必須補(bǔ)償擾亂瞄準(zhǔn)攝像機(jī)無人機(jī)的運(yùn)動(dòng); 攝像頭上的無補(bǔ)償?shù)臄z像頭平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軸可能會(huì)失去目標(biāo),但一個(gè)場(chǎng)景,攝像頭定位用于補(bǔ)償平臺(tái)運(yùn)動(dòng)可以保持?jǐn)z像頭視圖。此典型操作情景的潛在缺點(diǎn)可以總結(jié)為：）多個(gè)熟練的技術(shù)人員通常是必需的，i

3、i）該攝像頭操作者必須補(bǔ)償導(dǎo)頻的動(dòng)作，以及iii）它不是直觀的攝像頭操作者的分裂攝像頭的動(dòng)作之間的攝像頭瞄準(zhǔn)任務(wù)定位在由操作者控制和命令的導(dǎo)頻。提供直觀的接口，其中操作者可以移動(dòng)定位的攝像機(jī)、頭，使攝像頭跟蹤目標(biāo)圖像的問題出現(xiàn)在很多地方。移動(dòng)系統(tǒng)的困難在于遵循一個(gè)攝像頭最近被解決的主題。固定的的角度來看這一相同的基本相機(jī)定位問題提出了相機(jī)平臺(tái),四旋翼無人機(jī),相機(jī)定位裝置被認(rèn)為是一個(gè)單一的機(jī)械裝置。在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，以示對(duì)合并四轉(zhuǎn)子攝像系統(tǒng)，從攝像頭場(chǎng) - 視移動(dòng)兩個(gè)元素生成的操作員命令的工作速度控制器的設(shè)計(jì)。本文的結(jié)構(gòu)如下。在第3節(jié)中，四轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。運(yùn)動(dòng)學(xué)定位為三連桿相機(jī)的開發(fā)

4、;然而，只有兩個(gè)鏈路被用在任何位置的情況。這樣做的情況下定位成用在2鏈路，傾斜輥配置，以期待通過控制設(shè)計(jì)和仿真進(jìn)行2。2、 文獻(xiàn)綜述 2.1旋翼模型A.在驅(qū)動(dòng)四旋翼飛行器模型。的四旋翼無人飛行器模型的元素被顯示在圖2的四轉(zhuǎn)子體固定幀，F(xiàn)，被選擇為與重心這意味著它具有對(duì)角線慣性矩陣一致。運(yùn)動(dòng)學(xué)和四轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)模型被表示為1,2 （1） （2） （3） （4） 在這個(gè)模型中 R表示相對(duì)于地球固定的慣性坐標(biāo)系的四轉(zhuǎn)子體固定框架F的線速度，I表示被檢體內(nèi)的固定幀，F(xiàn)中，和 R表示的角速度相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的旋翼本體固定幀F(xiàn)，I，身體的固定框架，F(xiàn).方程中表達(dá)（1） - （3）表示的四轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)。在（1）中

5、是旋翼的速度，在（2）中表示，角速度變換由矩陣變換的位置和角度，被認(rèn)為是可衡量的。式（2）表示的建模假設(shè)角速度四轉(zhuǎn)子的被代替的建模角度動(dòng)力學(xué)的直接計(jì)算; 被認(rèn)為是作為系統(tǒng)的輸入。平移速度的動(dòng)力學(xué)顯示在（4）并且包含引力術(shù)語，當(dāng)gR，表示重力加速度，E3=表示在慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)的單位矢量，是四轉(zhuǎn)子的已知質(zhì)量，代表一個(gè)有界函數(shù)，例如，氣動(dòng)阻尼力，是斜對(duì)稱矩陣的一般形式6。四轉(zhuǎn)子具有固有的6自由度的;然而，四線轉(zhuǎn)子只有四個(gè)控制輸入：沿z軸和三個(gè)角速度1平移力。圖1：四旋翼帶云臺(tái)攝像機(jī)輥定位矢量指的是四轉(zhuǎn)子平移力，但在現(xiàn)實(shí)代表被求和的四個(gè)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的力產(chǎn)生和被表示為單一的平移力0 0 U1 ，其中B1

6、= I3是一款配置矩陣（執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)超出了設(shè)計(jì)范圍），并 圖2 四轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)四轉(zhuǎn)子有四個(gè)電動(dòng)機(jī)位于跨框的前，后，左，右端。四轉(zhuǎn)子是通過改變每個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制。前后轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)而左和右轉(zhuǎn)子以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),平衡轉(zhuǎn)矩由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。左邊和右邊轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度是控制無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)率的變化。由合適的電機(jī)的速度降低相同的量增加了左馬達(dá)的速度將保持由四個(gè)轉(zhuǎn)子大致相同的所提供的總推力。另外，通過這兩個(gè)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的總扭矩保持恒定。類似地，俯仰速率是通過改變前后轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度控制。橫擺率是通過改變向順時(shí)針的相對(duì)速度（右和左）和逆時(shí)針（前和后）的轉(zhuǎn)子來控制。集體推力是通過同時(shí)改變所有的轉(zhuǎn)子的速度控制1-3，

7、4。2.2相機(jī)定位運(yùn)動(dòng)學(xué)如前所述，四轉(zhuǎn)子可以在z方向上的推力，但是它不能推力在x-或y-方向。由于直升機(jī)旋翼下致動(dòng)在它的兩個(gè)平移速度，兩致動(dòng)器鏡頭被添加來實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度（DOF）控制的在相機(jī)中的幀。一個(gè)tiltroll相機(jī)被添加到直升機(jī)看到。有了新的攝像頭邊框的正面，現(xiàn)在有三個(gè)旋轉(zhuǎn)和三個(gè)譯本，共有六自由度，來驅(qū)動(dòng)?？刂迫魏蔚淖杂啥?，也不論相機(jī)必須移動(dòng)時(shí)，UAV必須移動(dòng)，或兩者兼而有之。2.2.1對(duì)無人機(jī)的前傾斜輥相機(jī)無人機(jī)框架和可見上圖1相機(jī)幀之間的旋轉(zhuǎn)矩陣為：因?yàn)橹挥薪嵌鹊?有所不同，雅可比行列式可以被重新定義為：最后，這有利于攝像機(jī)的角度的計(jì)算。022.2.2視覺傳感器通常，視覺傳感器包括

8、一個(gè)攝像機(jī)和圖像處理塊的。在模擬的對(duì)象被定義為通過在MATLAB'多面體'命令與地球的每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)3X1向量。來表征物體的四個(gè)特征點(diǎn)被選中，被定義為相機(jī)是仿照通過使用相機(jī)的位置和方向以及對(duì)象（XC，XO）。圖像處理模塊是仿照成像幾何和透視投影的詳細(xì)信息可以在許多計(jì)算機(jī)視覺文本被發(fā)現(xiàn)6。開發(fā)的視覺傳感器模型，第一幀被定義。直升機(jī)幀為Rh，相機(jī)架是Rc與該對(duì)象幀是羅如圖3。圖3 相機(jī)對(duì)象和直升機(jī)的軸2.3四旋翼的控制直升機(jī)控制器具有為U1，U2，U3和U4的4輸入命令。U1表示繞z軸的平移。 U2表示繞y軸（側(cè)傾角）的旋轉(zhuǎn)。 U3表示繞x軸（俯仰角）的旋轉(zhuǎn)。最后，U4表示繞z軸線（

9、偏航角）的旋轉(zhuǎn)。在這項(xiàng)研究中，比例微分（PD）控制器被設(shè)計(jì)為控制直升機(jī)6。這是因?yàn)?，該控制算法能夠從直升機(jī)模型來獲得與該算法使系統(tǒng)呈指數(shù)穩(wěn)定圖4 四旋翼控制系統(tǒng)2.3.1. 高度控制直升飛機(jī)的高度控制方程1 (1)z *參考線速度價(jià)值在z軸是直升機(jī)的第三個(gè)組件參考速度矢量vh *。2.3.2. 翻譯控制有必要控制音高和輥角度控制x和y軸周圍的翻譯。因此,對(duì)于翻譯在x軸,參考螺旋角和螺旋角(的角速率。* *)要求。同樣,在y軸進(jìn)行翻譯,參考橫搖角(*,*)和橫搖角的角速率要求。而角利率決定從向量vh *(4和5 thcomponents),角度是由使用Eq(2). (2) (3)2.3.3. 偏

10、航控制所需的輸入信號(hào)為直升飛機(jī)的偏航控制方程給出了3 (4)圖5 線性和角度直升機(jī)的速度2.4. 旋翼設(shè)計(jì)過程定制設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)在用于執(zhí)行安全實(shí)驗(yàn)圖6was所示。該試驗(yàn)臺(tái)可讓直升機(jī)自由地進(jìn)行偏航運(yùn)動(dòng)，允許高達(dá)2米的高度，以及高達(dá)± 20 °側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)模型的四旋翼直升機(jī)，一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，平移/針鋒相對(duì)/變焦攝像頭，反射折射攝像機(jī)在將來的研究中使用，和一個(gè)IMU傳感器。一個(gè)Core2Quad 2.40 GHz處理器的桌上型電腦與3綠帶內(nèi)存在Windows XP上，有一個(gè)雙重圖像采集卡已被使用。算法采用矩陣圖像庫8.0 C + +的 20 開發(fā)的。一個(gè)索尼的

11、平移/傾斜/縮放攝像機(jī)被定向到一個(gè)固定的地面目標(biāo)。拍攝的圖像與特征提取程序處理，以確定在現(xiàn)場(chǎng)的黑色斑點(diǎn)的功能。被選定為簡單性和實(shí)時(shí)性能不同大小的黑色斑點(diǎn)。為了驗(yàn)證了該算法的有效性已經(jīng)完成偏航運(yùn)動(dòng)的視覺伺服控制下的實(shí)驗(yàn)。直升機(jī)開始于70度的偏航角和目標(biāo)是達(dá)到視覺伺服控制下的110度的偏航角。直升機(jī)的實(shí)驗(yàn)過程中的歐拉角示于圖。直升機(jī)達(dá)到所需的偏航值的滾轉(zhuǎn)和俯仰角的運(yùn)動(dòng)過程中保持在零度。圖6 歐拉角的直升機(jī)在實(shí)驗(yàn)中在實(shí)驗(yàn)過程中的線速度和角速度都在圖6中，所需的角速度，其與橫擺運(yùn)動(dòng)相關(guān)的趨近于零線作為直升機(jī)接近期望的偏航角.圖7 偏航控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)果3 提出的技術(shù)在我們的UAV建議的技術(shù)在下面列出。它有

12、四個(gè)轉(zhuǎn)子和使用四個(gè)螺旋槳。這將是更為穩(wěn)定。它的身體1視覺相機(jī)。它可以給適當(dāng)?shù)膱D像向上to100m擬合（近似） 。它能夠達(dá)到的高度可達(dá)100配合（近似） 。它具有的容量3000轉(zhuǎn)的無刷直流電動(dòng)機(jī)，這將是非常輕的重量。我們的項(xiàng)目充分展示了重要的控制功能，從而允許一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的，否則不穩(wěn)定的自主平衡。阿四轉(zhuǎn)子構(gòu)成比單轉(zhuǎn)子或雙轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌直升機(jī)更具挑戰(zhàn)性的控制問題，因?yàn)榭刂埔蟀〞?huì)計(jì)電機(jī)之間存在，并導(dǎo)致每個(gè)電機(jī)提供一個(gè)稍微不同的級(jí)別升降的微妙變化。為了使四轉(zhuǎn)子工藝是穩(wěn)定的，這四個(gè)馬達(dá)都必須提供升力的相同量，并且它是在控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)供給到每一個(gè)的功率占電機(jī)之間的變化的任務(wù)。我們認(rèn)為是四旋翼飛行

13、器的控制作為一種有價(jià)值的挑戰(zhàn)追求。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)保證了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，為四旋翼工藝比singlerotor工藝更高效，更靈活。不像單旋翼機(jī)，其采用了第二個(gè)較小的垂直推進(jìn)器來改變方向，則四轉(zhuǎn)子工藝的定向運(yùn)動(dòng)是由四個(gè)相同的電機(jī)所提供升力產(chǎn)生。此外，四旋翼可以改變方向，而無需重新調(diào)整自身 - 有正面和工藝的背面沒有區(qū)別。在旋翼，每個(gè)轉(zhuǎn)子起著羅林方向和所述車輛的平衡以及升力，不同的是比較傳統(tǒng)的單旋翼直升機(jī)設(shè)計(jì)，其中每一個(gè)轉(zhuǎn)子都有一個(gè)特定的任務(wù) - 升降機(jī)或方向控制 - 但從未兩者。我們也用結(jié)構(gòu)部件，在下面的表1中提及。表1 結(jié)構(gòu)組件S.no結(jié)構(gòu)部件的名稱1少刷直流電動(dòng)機(jī)2推進(jìn)式螺旋槳，螺旋槳拖拉機(jī)3齒輪箱4

14、臂5電池6中央樞紐7電機(jī)安裝8速度控制器9視攝像頭3.1 直流無刷電機(jī)該電機(jī)是鈷，拉絲，額定為12 V直流電動(dòng)機(jī)，15個(gè)安培的電流。直流，有刷電機(jī)的配置是需要的，便于控制（能夠通過PWM控制）的。該cobaltmotors使用強(qiáng)的稀土磁鐵，并提供體重可用于模型飛機(jī)愛好電機(jī)的比最好的動(dòng)力。我們通過我們的designbudget僅限于這些愛好電機(jī)。因此，我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其余部分都是圍繞著這些電機(jī)的選擇和工藝的允許重量的基礎(chǔ)上，如圖8這些馬達(dá)（約350克電梯從每個(gè)電機(jī)）提供的升力。圖8 無刷直流電機(jī)和電池3.2 螺旋槳螺旋槳是從尖10給小費(fèi)。兩個(gè)是拖拉機(jī)式的，為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而其他兩個(gè)是推桿式的，為逆

15、時(shí)針旋轉(zhuǎn)。對(duì)于我們的設(shè)計(jì)，具有攻擊的小角度螺旋槳是必要的，因?yàn)樗峁┝舜怪彪娞莸姆€(wěn)定盤旋。我們使用的螺旋槳是的，因?yàn)檫@是在生產(chǎn)拖拉機(jī)和推兩種款式螺旋槳有限比理想的設(shè)計(jì)更陡。3.3 變速箱齒輪箱具有2.5:1的傳動(dòng)比。它們減少相比，電動(dòng)機(jī)的速度的螺旋槳的速度，從而使電動(dòng)機(jī)施加更大的扭矩在螺旋槳同時(shí)繪制遠(yuǎn)小于在直接驅(qū)動(dòng)配置的電流。3.4 臂我們的四轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的臂需要的是重量輕，強(qiáng)度足以承受10應(yīng)力和應(yīng)變所引起的電動(dòng)機(jī)的重量，并在其相對(duì)的端部的中心輪轂。碳纖維被認(rèn)為是由于其重量，以強(qiáng)度比的最佳選擇。該管的厚度被選擇為盡可能小，以降低其重量?；谒雎菪龢贿x擇，每個(gè)臂（10“）的長度。所使用的螺旋槳是

16、10“長每所以我們不得不留出足夠的空間，他們沒有彼此遭遇亂流旋轉(zhuǎn)。由于這樣的現(xiàn)象將是相當(dāng)復(fù)雜的分析，我們簡單地隔開馬達(dá)farenough分開，以避免轉(zhuǎn)子之間的湍流干擾的可能性。 3.5 電池將電池的功率要求為所選電機(jī)/齒輪箱組合的基礎(chǔ)上選擇。我們選擇的鋰聚合物品種的電池，盡管這是大大高于其它電池提供相同的功率更昂貴，因?yàn)樵撾姵靥峁┳罴训墓β?- 重量比。我們的電池的選擇是一個(gè)1450mah12.0V12C鋰聚合物電池。（注：因?yàn)槲覀儧]有足夠的時(shí)間來整合車載控制系統(tǒng)的電路，因而只進(jìn)行系留飛行，我們最終并沒有購買的電池。），如圖9。 圖9 鋰聚合物品種3.6 中央集線器中央輪轂承載的所有電子設(shè)備，

17、傳感器，以及電池。它位于比電動(dòng)機(jī)4，以使重心向下，增加穩(wěn)定性較低。我們使用快速成型機(jī)考慮我們的設(shè)計(jì)為樞紐制造它，快速成型機(jī)是因?yàn)樗軌虍a(chǎn)生比較復(fù)雜的細(xì)節(jié)，例如斜孔，允許為中心樞紐坐比周圍低的電機(jī)能力理想。在快速成型中使用的熱塑性聚合物具有良好的強(qiáng)度重量比。3.7 電機(jī)支架電機(jī)支架連接馬達(dá)的碳纖維臂。因?yàn)槠鋸?fù)雜的細(xì)節(jié)，他們使用快速成型機(jī)進(jìn)行制造的，因此，由熱塑性聚合物制成。3.8 四旋翼控制框圖下圖描繪了我們的控制系統(tǒng)。該圖表示控制系統(tǒng)與控制的四旋翼飛行物理系統(tǒng)的交互方式。該系統(tǒng)的控制包括四個(gè)獨(dú)立的PID回路。PID回路時(shí)需要變槳控制，側(cè)傾控制，偏航控制和高度控制。作為各自的PID控制計(jì)算如何在

18、平臺(tái)必須改變時(shí)，結(jié)果被總結(jié)為每個(gè)產(chǎn)生所需的四轉(zhuǎn)子的集成控制如圖10所示的校正的電機(jī)。圖10 框圖控制系統(tǒng)原理圖4 結(jié)論這項(xiàng)調(diào)查本文提出了一種新的飛了攝像頭的方法來設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)下的四旋翼飛行器恭維四轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)額外的攝像頭軸產(chǎn)生一個(gè)完全啟動(dòng)相機(jī)定位平臺(tái)非線性控制器。該方法熔斷器車輛導(dǎo)航和攝影機(jī)瞄準(zhǔn)到那里的駕駛員目視和蒼蠅的系統(tǒng)通過騎在相機(jī)光軸的單個(gè)任務(wù)的經(jīng)常獨(dú)立的任務(wù)。該控制器被證明提供位置和角度跟蹤全球統(tǒng)一的最終有界（ GUUB ）結(jié)果的形式。視覺信息已經(jīng)被完全用于與特征估計(jì)，基于圖像的控制和直升機(jī)控制器模塊車輛的控制。在MATLAB和對(duì)模型直升機(jī)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，該方法是成功的。

19、作為未來的工作中，我們計(jì)劃通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果與在控制回路用更先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)靜止和非靜止物體。5 致謝作者非常感謝MGR博士當(dāng)局教育研究院，晨奈，印度，提供了進(jìn)行這項(xiàng)研究work.Many生活和命運(yùn)是由于缺乏正確的引導(dǎo)，方向和機(jī)遇銷毀設(shè)施。正是在這方面，我們覺得我們今天是在更好的條件下，由于動(dòng)機(jī)的連續(xù)過程和重點(diǎn)我的父母和教師普遍提供。該項(xiàng)目的完成過程是非常繁瑣和需要照顧和支持的各個(gè)階段。我們想強(qiáng)調(diào)通過對(duì)這一個(gè)人所扮演的角色。 我們很感激內(nèi)部向各位夫人K.Sujatha為我們提供了機(jī)會(huì)和基礎(chǔ)設(shè)施，以完成項(xiàng)目為B.技術(shù)程度的一個(gè)部分履行。我們非常感謝L.Ramesh，EEE系系主任，他的鼎力支持和信

20、任我們。6 參考文獻(xiàn)1 Nicolas Guenard, Tarek Hamel,and Robert Mahony, “A Practical Visual Servo Control for an Unmanned Aerial Vehicle” transaction on robotics,vol-24,no-2,april2008 33. Member, IEEE.2 Andrew E. Neff, DongBin Lee, Vilas K. Chitrakaran, Darren M. Dawson and Timothy C. Burg “Velocity Control for

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